Dynamo在水利工程BIM三維設(shè)計中的應(yīng)用

王寧　閆飛　李麗君　龔君康　劉晨

摘要：當(dāng)前由于主流平臺的局限性，水利工程三維設(shè)計一般由多平臺配合完成，這樣可能會造成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信息損失及應(yīng)用推廣成本的提升。如何在同一平臺完成主要設(shè)計工作已然成為目前研究熱點。鑒于現(xiàn)有Revit平臺原生功能對于水利工程復(fù)雜曲面形體建模存在很大局限，根據(jù)Revit軟件和Dynamo插件的技術(shù)特點，梳理并研究了Dynamo參數(shù)化建模的技術(shù)和與Revit數(shù)據(jù)交換/交互方式。研究成果在花馬湖泵站工程施工圖設(shè)計中得到了實際應(yīng)用，效果較好，可為今后單一Revit平臺的水工項目三維設(shè)計提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：水利工程; BIM; 三維參數(shù)化設(shè)計; Revit; Dynamo

中圖法分類號： TP391

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.036

0引 言

近年來，BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)逐步在水利水電行業(yè)得到廣泛的推進和應(yīng)用。與建筑工程相比，水利工程一般具有體量大、構(gòu)造復(fù)雜、涉及專業(yè)多、設(shè)計和施工周期長、受環(huán)境因素影響大等特點。特別是水利工程中各種復(fù)雜異形曲面構(gòu)件（如流道、蝸殼、尾水管、拱壩）三維精細化建模，是水利工程BIM三維設(shè)計的主要難點，也是經(jīng)常困擾設(shè)計人員的技術(shù)問題。

盡管目前在主流的軟件平臺上已有可行的解決方案，比如通過CATIA較強的曲面造型和參數(shù)化建模功能，可以實現(xiàn)水工構(gòu)筑物異形曲面構(gòu)件三維建模功能[1]。然而平臺間模型互聯(lián)互通問題，阻礙了平臺間的協(xié)同設(shè)計。例如，在CATIA里創(chuàng)建的水工三維模型和Revit創(chuàng)建的附屬廠房等建筑物模型的整合問題。雖然CATIA和Revit軟件的數(shù)據(jù)可以通過插件或接口進行互導(dǎo)，但是這種格式轉(zhuǎn)換存在單向不可逆、構(gòu)件附屬信息損失、構(gòu)件可能缺失等問題。一般在行業(yè)內(nèi)有2種解決思路：第一種是開發(fā)數(shù)據(jù)接口或通用的交換數(shù)據(jù)格式，在最大限度保證信息完成性的情況下，將某個平臺的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到另一個軟件平臺中進行數(shù)據(jù)整合，從而實現(xiàn)多平臺間協(xié)同設(shè)計;第二種是在目前平臺間設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換不成熟的情況下，盡可能在同一個平臺完成全部三維建模、算量和出圖工作。

本文主要研究技術(shù)路線是基于上述第二種思路，即探索在單一軟件平臺上完成水利工程的主要設(shè)計建模工作，從而避免多平臺間數(shù)據(jù)互導(dǎo)造成數(shù)據(jù)信息丟失等問題。Revit軟件在建筑行業(yè)應(yīng)用廣泛，也具有較強的建筑建模、出圖功能，但因為異形曲面形體建模能力有限，所以在大中型復(fù)雜水利項目中全面應(yīng)用存在障礙。能否實現(xiàn)在Revit中快速便利地創(chuàng)建參數(shù)化曲面形體成為了Revit平臺水利工程BIM全過程三維設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題。近年來，隨著Revit平臺中Dynamo插件的出現(xiàn)，大幅提高了Revit平臺參數(shù)化曲面建模能力，因此也為在Revit單一平臺實現(xiàn)大中型水利工程三維設(shè)計提供了一條可行的技術(shù)路徑。

本文對現(xiàn)有主流平臺進行了比選，分析了Revit軟件平臺和Dynamo插件的技術(shù)特點，梳理了Dynamo參數(shù)化建模的技術(shù)和與Revit數(shù)據(jù)交換/交互方式，并通過典型的水利工程異形構(gòu)件（蝸殼、雙曲拱壩）實例，詳細介紹了設(shè)計建模技術(shù)流程。該技術(shù)在花馬湖泵站的廠房方案設(shè)計階段中得到了實際應(yīng)用。本文研究成果也可為今后基于Revit平臺的水工項目三維設(shè)計提供新的思路。

1水利工程三維設(shè)計平臺

1.1水利工程三維設(shè)計平臺比選

根據(jù)目前市場占有率，在水利水電設(shè)計行業(yè)主流的BIM三維設(shè)計軟件平臺有3個：美國Autodesk公司的Revit系列軟件、美國Bentley公司的MicroStation系列軟件以及法國達索公司的CATIA軟件，俗稱“ABC”三平臺。這三大設(shè)計平臺各有特點，Revit在工民建行業(yè)應(yīng)用最為普及，與BIM技術(shù)相關(guān)應(yīng)用結(jié)合度較高;Bentley平臺各專業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式，不存在格式轉(zhuǎn)換問題，并在工業(yè)建筑設(shè)計和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域具有優(yōu)勢;CATIA軟件具備強大的曲面造型和參數(shù)化建模能力，可方便地完成復(fù)雜的異形構(gòu)件的參數(shù)化建模。表1為主流水利工程三維設(shè)計平臺特點的對比情況。

1.2Revit平臺特點與局限性

Revit軟件是由歐特克公司開發(fā)的面向建筑行業(yè)的BIM三維設(shè)計與建模軟件，提供了包括建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣等多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的工作模式，主要功能包括各專業(yè)設(shè)計模型創(chuàng)建、管線綜合、碰撞檢查、出施工圖、日照采光分析等等。鑒于Revit的市場普及率、軟件成熟度、易用性和性價比，不少水利設(shè)計單位在水利水電工程項目實施中采用Revit進行三維設(shè)計，取得了一定的成效。然而Revit軟件系統(tǒng)本身自帶的曲面造型功能較弱，比如在建筑設(shè)計時一般通過第三方軟件（如Rhino、CATIA）進行曲面建模，通過導(dǎo)入方式進入Revit，然后在Revit中利用體量模式拾取相應(yīng)的曲面生成Revit體量，最后在Revit軟件中對該體量進行進一步曲面劃分、墻體樓層的生成等深化設(shè)計操作。這種模式有一個很突出的問題就是異形體量一旦生成，導(dǎo)入Revit就無法修改。若方案需要修改則需要在第三方軟件中進行修改后重新導(dǎo)入Revit，并且Revit中深化設(shè)計工作基本上需要重新做，極大增加了重復(fù)工作量。為解決Revit復(fù)雜曲面建模的技術(shù)短板，歐特克公司引入了Dynamo插件，這對于Revit單一平臺實現(xiàn)大中型水利工程三維設(shè)計，避免多平臺間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提供了一條可行的技術(shù)路線。

1.3Dynamo插件介紹

Dynamo是一款針對Revit的參數(shù)化建模插件，是基于可視化編程設(shè)計（Visual Programming for Design）理念而開發(fā)的設(shè)計工具[2]。起初Dynamo是開源軟件，后來被歐特克公司直接整合到Revit 2017后續(xù)版本中。Dynamo與Rhino上的Grasshopper插件類似，通過可視化模塊參數(shù)化驅(qū)動完成復(fù)雜的設(shè)計操作，從而實現(xiàn)用戶的設(shè)計意圖。Dynamo可以實現(xiàn)參數(shù)化形體創(chuàng)建、與Revit模型進行交互操作（如圖元調(diào)整、統(tǒng)計算量、配色等），也可將外部數(shù)據(jù)解析進行形體創(chuàng)建，如根據(jù)等高線或點集生成地形，根據(jù)參數(shù)表格創(chuàng)建形體等。Dynamo軟件強大的曲面造型創(chuàng)建功能彌補了Revit原生曲面造型功能不足的缺陷，并可以使一些繁瑣重復(fù)的操作簡單化，從而使設(shè)計師擺脫束縛，將注意力集中在設(shè)計本身上。

1.4Dynamo設(shè)計應(yīng)用概況

Dynamo已經(jīng)在建筑行業(yè)得到了一定程度的應(yīng)用[3]，如栗峰等[4]利用Dynamo對Revit中網(wǎng)架單元作為自適應(yīng)構(gòu)件進行控制，自動生成網(wǎng)格系統(tǒng)。王松[5]實現(xiàn)了利用Dynamo進行建筑構(gòu)件的批量自動排布和異形建筑外形創(chuàng)建。李媛等[6]直接利用Dynamo對預(yù)制裝配式停車樓的建筑構(gòu)件（柱、墻、板、坡度）的族參數(shù)進行調(diào)整。張瑋[7]利用Dynamo讀取EXCEL參數(shù)來實現(xiàn)批量生成和修改橋梁構(gòu)件。

最近幾年，有部分水利行業(yè)單位開始探索Dynamo插件在水利工程參數(shù)化設(shè)計建模中的應(yīng)用，比如宋丹[8]、趙津茂[9]分別研究了在Civil3D軟件中Dynamo插件實現(xiàn)雙曲拱壩和扶壁式擋土墻的三維建模技術(shù);周為等[10]實現(xiàn)了Dynamo在水電站廠房異形結(jié)構(gòu)中的建模技術(shù);曹陽[11]探討了Dynamo在Revit中對于水利機械設(shè)計的建模技術(shù)，均對Dynamo在水利工程的異形曲面設(shè)計建模進行了深入研究，也給該課題研究帶來了一定的技術(shù)啟發(fā)。

2Dynamo參數(shù)化建模關(guān)鍵技術(shù)

2.1典型設(shè)計流程

Dynamo軟件進行水利工程曲面部件的參數(shù)化建模的流程如圖1所示。

2.2參數(shù)讀取解析

在Dynamo中可通過讀取表格數(shù)據(jù)來驅(qū)動水工建筑物形體。操作過程中，應(yīng)將與建筑物構(gòu)件尺寸等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)以表格的形式存放在相應(yīng)的文件中，并建立表中數(shù)據(jù)與三維模型特征參數(shù)的聯(lián)系。設(shè)計師通過選擇表中不同記錄達到改變幾何尺寸，獲取所需水利設(shè)施的模型的目的。在Dynamo參數(shù)化設(shè)計中，設(shè)計師可通過節(jié)點模塊將Excel格式的參數(shù)文件中相關(guān)參數(shù)讀入Dynamo的鏈表List容器中，以便進行進一步處理。

2.3幾何形體生成

Dynamo中提供了包括曲線Curve、曲面Surface、實體Solid等多種幾何體類型，設(shè)計師可利用類型節(jié)點函數(shù)通過放樣或掃掠方式生成曲線、曲面、實體等幾何體。如通過常見的點擬合曲線生成曲線，放樣、封閉區(qū)域生成曲面，放樣、掃略、交差并等方式生成實體，通過曲線、曲面、實體創(chuàng)建并最終實現(xiàn)構(gòu)筑物曲面形體建模。

2.4與Revit交互

Dynamo與Revit交互（數(shù)據(jù)交換與交互控制）一般有4種方式：

① ImportInstance方式;

② DirectShape方式;

③ ExportToSAT方式;

④ Family Instance方式。

上述4種方式各有特點也各自具有明顯的優(yōu)缺點。一般而言，方式①和②在Dynamo形體建模導(dǎo)入Revit時較為常用;方式③需要通過SAT中間格式進行模型轉(zhuǎn)換;方式④在橋梁隧洞的參數(shù)化建模過程中時常采用[12-13]。因此，設(shè)計人員可根據(jù)具體情況選擇合適的導(dǎo)入方式。綜上所述，這4種方式的優(yōu)缺點如表2所列。

3Dynamo建模應(yīng)用實例

3.1金屬蝸殼建模實例

蝸殼是水利水電工程中較為常見有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的部件，也是基于Revit軟件原生功能不能快速建模的典型水工構(gòu)件。通常隨著工程項目設(shè)計階段的不斷推進，設(shè)備廠商會提供詳細的蝸殼尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計人員需要根據(jù)上述數(shù)據(jù)進行三維建模。

利用Dynamo實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動蝸殼三維建模的主要技術(shù)思路為：通過讀取Excel格式的各設(shè)計斷面參數(shù)建立各斷面，利用放樣、曲面加厚操作生成殼體的實體。座環(huán)包括上座環(huán)、下座環(huán)、固定導(dǎo)葉等3個主要部件，通過曲線工具創(chuàng)建固定導(dǎo)葉的輪廓，再通過放樣、平移、旋轉(zhuǎn)等操作生成多個固定導(dǎo)葉實體;通過曲線工具創(chuàng)建座環(huán)輪廓，再按軸線掃掠輪廓曲線生成坐環(huán);在此基礎(chǔ)上，將生成的蝸殼與座環(huán)形體部件進行整合，并通過ImportInstance或DirectShape方式將蝸殼形體導(dǎo)入到Revit中。蝸殼建模主要過程如圖2（a）～（d）所示。

3.2雙曲拱壩壩體建模實例

雙曲拱壩為雙向（水平向及豎向）彎曲的拱壩。它是拱壩中最具有代表性的壩型，也是水利工程中較為常見的包含曲面形體的水工建筑物。而Revit難以通過原生建模功能創(chuàng)建雙曲拱壩為這種以方程曲線確定的曲面形體。與CATIA類似，在Dynamo中雙曲拱壩壩體的三維建模思路為：在不同的高程，通過拱圈中心線確定拱圈曲線，繪制出對應(yīng)高程的拱圈，再針對各個高程的拱圈進行曲面放樣即可生成雙曲拱壩的基本形體。

雙曲拱壩三維建模首先需要確定各高程拱圈，這需要根據(jù)壩體各高程相關(guān)參數(shù)計算得到。拱圈曲線獲取步驟如下：

（1） 將已導(dǎo)入的設(shè)計參數(shù)生成拱圈中心線。

（2） 接著根據(jù)拱圈中心線及拱圈厚度計算公式繪制出拱圈曲線。

雙曲拱壩拱圈中心線是基于參數(shù)方程確定的。在Dynamo中，可通過模塊代碼塊實現(xiàn)拱圈的中心線方程。Dynamo中曲線是以采樣點擬合而成，本文實例中，以左、右岸拱端中心角Φl、Φr作為采樣參數(shù)，采樣間隔為0.5°。要注意Dynamo中曲線擬合采樣間隔與模型精度相關(guān)，若設(shè)置較高的精度，則會造成較大的計算量和建模時間，并直接影響后面曲面擬合與實體生成的效率。當(dāng)拱圈中心線確定之后，通過計算拱圈中心線特定點的拱圈厚度，并結(jié)合向量計算模塊確定拱圈外側(cè)及內(nèi)側(cè)曲線的采樣點，通過擬合最終得到拱圈曲線。

當(dāng)繪制完成各高程拱圈后（見圖3（b）），則可以在Dynamo中放樣節(jié)點對拱圈封閉曲線放樣生成壩體的曲面（見圖3（c）），最終生成壩體的三維實體（見圖3（d））。

通過與拱壩形體類似的建模流程，創(chuàng)建表孔、中孔泄水建筑物，并利用Dynamo接口，將拱壩形體導(dǎo)入到Revit軟件中，并且跟Revit軟件自建的廠房和機房進行整合。最終拱壩整體模型如圖3（e）所示。

3.3Dynamo與Revit協(xié)同設(shè)計出圖

在花馬湖泵站項目設(shè)計過程中，課題組根據(jù)泵站水工建筑物的特點，將泵站水閘建筑物正負0以上的廠房建筑部分選用Revit軟件平臺進行設(shè)計建模，并整合下部用Dynamo創(chuàng)建的閘墩流道水工模型成果并導(dǎo)入Revit進行協(xié)同設(shè)計，最終通過Revit平臺完成整個項目的出圖工作。通過Dynamo與Revit配合使用，充分發(fā)揮了Dynamo流道曲面建模和Revit建筑廠房建模與出圖技術(shù)優(yōu)勢，真正實現(xiàn)在同一平臺上完成設(shè)計建模出圖等工作。花馬湖泵站BIM三維設(shè)計應(yīng)用也印證了技術(shù)Dynamo曲面建模技術(shù)的可行性與實用性。

4結(jié) 論

由于水利水電工程項目特點，復(fù)雜形體三維參數(shù)化建模是設(shè)計階段主要技術(shù)難度。盡管在一些平臺上得到了較好的解決（如CATIA），但是目前主要的設(shè)計平臺均具有一定的技術(shù)短板。因此課題組選擇了工民建行業(yè)主要軟件Revit作為設(shè)計平臺，并在Revit曲面建模功能不足情況下，借助Dynamo插件實現(xiàn)曲面構(gòu)件參數(shù)化建模，并和Revit協(xié)同配合完成項目的設(shè)計與出圖。這種方式具有以下幾個特性。

（1） 信息完整性。

一個軟件平臺Revit上完成整個工作。同一平臺，同一套數(shù)據(jù)。避免多個平臺軟件間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換造成的信息損失。

（3） 互補性。

Dynamo插件已經(jīng)內(nèi)嵌入Revit 2017（及后續(xù)版本），成為Revit標(biāo)準(zhǔn)插件。Dynamo與Revit結(jié)合度緊密，彌補了Revit原生建模功能的局限性。

（3） 靈活性與擴展性。

Dynamo可通過預(yù)設(shè)參數(shù)驅(qū)動快速建模，可通過調(diào)整設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。Dynamo自帶的豐富的功能節(jié)點，并支持Python腳本語言，可實現(xiàn)復(fù)雜曲面形體的建模。

（4） 門檻性。

類似于Rhino的Grasshopper插件，Revit的Dynamo插件對于設(shè)計人員的空間思維和編程技術(shù)要求較高，技術(shù)門檻較高。由于目前參考資料較少，Dynamo技術(shù)提升大多需要設(shè)計人員自身研究和工作積累。

水利水電工程三維設(shè)計與BIM技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)逐漸在全行業(yè)普及和推廣，從設(shè)計階段逐漸往施工、運維階段延伸，覆蓋工程項目全生命周期各個階段。在設(shè)計階段，曲面參數(shù)化建模、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計是全面推行三維設(shè)計的主要技術(shù)基礎(chǔ)。目前主流的幾個設(shè)計平臺均存在明顯的優(yōu)缺點，以Revit平臺為例，將Dynamo軟件的參數(shù)化設(shè)計的優(yōu)勢引入到水利工程三維設(shè)計中，通過蝸殼與雙曲拱壩2個典型實例可說明Dynamo曲面三維建模技術(shù)流程，并在花馬湖泵站中利用該技術(shù)實現(xiàn)了三維正向設(shè)計出圖，可為單一平臺（Revit）實現(xiàn)水工三維設(shè)計提供技術(shù)借鑒。

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（編輯：趙秋云）